레이다

레이다(Radar)는 전파를 사용하여 목표물의 거리, 방향, 각도 및 속도를 측정하는 감지 시스템(detection system)이다. 항공기, 선박, 우주선, 유도탄, 자동차, 기상 구조물 및 지형 등의 탐지에 적용된다.

개요

레이다(Radar)는 영어 무선감지와 거리측정(Radio Detaction and Ranging)에서 유래되었으며 미국 해군이 줄임말로 사용하였다. 당초에 영국에서는 무선방향탐지기(RDF: Radio Direction Finder) 또는 고주파방향탐지기(HFDF: High Frequency Direction Finder)로 호칭하였다.

레이다 시스템은 발신기(transmitter), 송신안테나(transmitting antenna), 수신안테나(receiving antenna), 수신기(receiver)와 처리기(processor)로 구성된다.

레이다의 개발은 2차 세계대전 시절에 몇 몇 나라들에서 군사 목적으로 비밀리에 추진되었으며 이 중에서 관건적인 개발은 영국에서 성공한 공동 자전관(cavity magnetron)의 개발로서 이는 서브미터 해상력의 소형 시스템 구축이 가능하게 하였다.

오늘날 레이다는 다양한 목적으로 사용되고 있으며 이에는 공중과 지상 교통관제, 레이다 천문, 공중 방어 시스템, 미사일 방어 시스템, 랜드마크와 기타 선박을 찾기 위한 선박 레이다, 항공기 공중 충돌 방지 시스템, 해상 감시 시스템(ocean surveillance system), 우주 감시와 랑데뷰 시스템(outer space surveillance and rendezvous systems), 기상 강수량 감시(meteorological precipitation monitoring), 고도측정과 비행 제어 시스템(altimetry and flight control systems), 유도 미사일 표적 위치 확인 시스템(guided missile target locating systems, 导弹目标定位系统), 자율 주행차, 지질관측용 지상관측 레이다(ground-penetrating radar for geological observations) 등이 들어 있다. 하이테크 레이다 시스템은 디지털 신호 처리, 머신 러닝와 합동하여 아주 높은 소음 레벨에서도 유용한 정보를 취출할 수 있다.

레이다와 유사한 다른 시스템은 전자기 스펙트럼의 다른 부분을 사용한다. 사례로 라이다(LIDAR)를 들 수 있는데 이는 라디오 전파보다 레이저에서 오는 대부분의 적외선을 사용한다. 무인차량이 출현되면서 레이다는 자동 플랫폼을 협조하여 주변 환경의 모니터링을 추진하며 예기치 못한 사고의 방지에 기여한다.

역사

레이다의 기본 원리는 1885년과 1888년 사이에 독일 물리학자 하인리히 헤르쯔의 실험에 의해 최초로 입증되었으며 1864년에 제임스 클럭 맥스웰이 발표한 전자기장 이론을 실험적으로 증명하였다. 헤르쯔의 연구는 후에 독일 과학자 크리스티안 후츠메야(Christian Hulsmeyer)가 레이다의 파장을 반사하는 물체들의 탐지와 물체들의 위치를 파악하는데 적용되었다. 1900년대 초에 크리스티안 후츠메야( Christian Hülsmeyer)가 헤르쯔의 장치보다 한 단계 업그레이드 되어 현재의 Monostatic 펄스 레이다와 유사한 장치의 개발에 성공하고 1904년에 영국과 기타 나라들에서 특허를 출원하였다. 특허는 선박 탐지와 선박 충돌 방지에 응용되었으며 상업적으로는 별로 적용이 안 되었다.

1915년에 영국의 물리학자 로버트 왓슨-와트(Robert Watson-Watt)가 라디오 기술을 사용하여 항공병에게 사전 경고를 주는 사례를 만들었으며 1920년대에 영국의 연구기관을 이끌어 전리층 탐측과 장거리 번개 탐지를 포함한 라디오 기술분야의 성과를 거두고 라디오 방향 탐지기 분야의 전문가로 되었다.

1922년에 미국 해군 연구원인 알버트 호이트 테일러(A. Hoyt Taylor)와 레오 C. 영(Leo C. Young)은 선박이 양측에 송신기와 수신기를 설치한 포토맥 강(Potomac River)을 지날 때 수신기에 접수되는 신호에 변화가 발생하는 것을 발견하였다. 테일러는 이러한 현상이 낮은 가시도 조건에서 선박의 존재를 탐측할 수 있다는 보고를 제출하였으나 해군은 그 연구를 즉시 추진하지 않았다. 8년 뒤에 해군연구실험실(Naval Research Laboratory)에 근무하는 로렌스 하이랜드(Lawrence A. Hyland)가 지나가는 항공기에서도 유사한 현상이 발생됨을 관측하였으며 이는 특허의 출원과 이동 목표의 라디오-에코 신호 연구에 관한 소개를 하게 되었다.

유사하게 영국에서도 1928년에 L.S.올더(L. S. Alder)가 해군 레이다에 관한 임시 비밀 특허를 출원하였으며 월리암 앨런 스튜어트 버턴트(William Alan Stewart Butement)와 P. E. Pollard도 50cm(600MHz) 조건에서 펄스 변조를 사용하는 브레드보드(breadboard) 테스트 유니트를 개발하여 성공적인 실험실 결과를 얻었다. 1931년 1월에 장치에 관한 기록은 영국군 공병대(Royal Engineers)에서 유지관리를 추진하는 Inventions Book에 기록되었다.

2차 세계대전 직전에 영국, 프랑스, 독일, 이탈리아, 일본, 쏘련과 미국의 연구인원들은 독립적으로 비밀리에 현대 레이다를 지향하는 기술들을 개발하였다. 호주, 캐나다, 뉴질랜드, 남아프리카는 전쟁 전 영국의 레이더 개발을 따랐고 헝가리는 전쟁 기간에 레이더 기술을 개발하였다.

1934년에 프랑스는 분할 양극 자전관(分割陽極磁電管, split-anode magnetron)의 시스템적인 연구에 따라 장애물 탐지 무선 장치(obstacle-locating radio apparatus) 1935년에 원양정기선 노르망디(Normandie)에 설치하였다.

유사한 시기에 소련 군 엔지니어 오시쳅코프(P.K. Oshchepkov)도 레닌그라드 전자기술 연구원(Leningrad Electrotechnical Institute)과 합작하여 실험용 장치 RAPID를 개발하였으며 수신기 3km 범위내 항공기를 탐지할 수 있었다. 쏘련에서는 1939년에 양산 레이다 RUS-1, RUS-2 Redut를 생산하였으나 오시쳅코프가 체포되어 쿨라크(gulag)에서 강제 수용되면서 그 뒤의 개발이 늦어졌다. 전쟁기간에 총 607개 Redut 스테이션이 생산되었다. 첫 번째 공중 레이다 Gneiss-2는 1943년에 급강하 폭격기 Pe-2에 적용되었으며 1944년 말까지 230개 Gneiss-2 스테이션 생산이 추진되었다. 프랑스와 소련의 시스템은 지속파의 사용에 특화되어 궁극적으로 현대 레이다 시스템과 같은 완전한 성능을 제공하지 못했다.

완전한 레이다는 펄스 시스템으로 진화하였으며 1934년에 미국 해군 연구소에 근무하는 로버트 M. 페이지(Robert M. Page)가 첫 장치를 시연하였다. 이듬해에 미군 육군은 성공적으로 야간에 해안 포대 탐조등(battery searchlights) 조준에 사용하는 원시 지면대지면 레이다의 테스트를 추진하였다.

1935년 2월 26일에 영국의 로버트 왓슨-와트는 유명한 대번트리 실험(Daventry Experiment)을 추진하였으며 BBC 대출력 단파 발신기와 GPO 수신기를 이용하여 설치 지역을 지나가는 폭격기의 탐지에 성공하였다. 왓슨-와트 팀은 이 장치의 특허를 출원하였으며 특허번호는 GB593017이었다. 1936년 9월 1일에 왔슨-와트가 영국 공군 산하 신설기관 바드시 연구소(Bawdsey Research Station)의 총괄로 임직된 뒤 레이더의 개발은 대규모로 확장되었으며 1939년에 2차 세계대전이 폭발하기 전에 잉글란드의 동해안과 남해안에 체인 홈(Chain Home)이라 불리우는 항공기 탐지와 추적 스테이션의 디자인과 설치를 추진하였다. 체인 홈은 영국 공군에 중요한 사전 정보를 제공하여 공군대전략(Battle of Britain) 본토 방어 작전에서 이길수 있게 하였다.

영국에서의 관건적인 개발은 공동 자전관(空洞磁電管, cavity magnetron)이었으며 이는 서브미터 해상력의 소형 시스템을 구축할 수 있게 하였다. 1940년에 티저드 계획( Tizard Mission)을 추진하면서 영국은 이 기술을 미국과 공유하였다. 1943년에 로버트 페이지가 모노 펄스 기술(monopulse technique)로 레이다의 성능을 대폭도로 개선하였으며 현대 레이다 응용에서 수년간 사용되었다.

전쟁은 레이다의 해상력, 휴대성 및 기타 특징의 개선방안에 관한 연구를 촉진하였으며 이에는 RAF의 패스파인더(Pathfinder)가 사용하는 Oboe 보완 내비게이션 시스템(complementary navigation systems)과 같은 시스템들이 들어 갔다.

응용

레이다가 제공하는 정보는 물체의 방향과 범위이며 포지셔닝이 중요한 여러 영역에서 사용할 수 있다. 첫 번째는 공중, 지면, 해상에서 목표의 위치를 파악하는 군사적인 용도로 사용되고 그 다음은 민간 영역에서 항공기, 선박, 자동차를 대상한 애플리케이션에 적용된다.

항공영역에서 레이다는 항공기에 설치되어 다른 항공기나 물체가 항로에 접근할 때 경고를 해주고 날씨 정보를 알려주며 정확한 고도를 알려준다. 첫 번째로 이루어진 상업 응용은 1938년에 벨 연구소 유니트가 유나이티드 항공의 항공기에 설치되는 사례였다. 레이다-어시스트 지상관제 접근 시스템이 탑재되어 있는 항공기는 안개가 짙은 천후에도 공항에 착륙이 가능하며 항공기의 위치는 정밀 진입 레이다(precision approach radar) 스크린에 반영되어 지상 관제 인원들이 조종사와 무선 연락 방식으로 착륙을 지도할 수 있다. 군용 전투기에는 통상적으로 공대공 레이다가 설치되어 목표 항공기를 탐지하며 대형 전문 군용기는 강력한 공중 레이다를 탑재하여 넓은 영역의 공중 교통 상황을 관찰하고 전투기를 지휘하여 목표를 지향하게 한다.

선박 레이다는 선박의 방향과 거리를 탐지하여 다른 선박과의 충돌을 피하며 바다에서 해안 또는 섬, 부표 및 등대와 같은 기타 고정 참조 범위 내에 있을 때 방향과 위치를 알려준다. 부두나 항구에서 선박 교통 서비스 레이다 시스템은 복잡한 환경의 모니터링과 선박 이동의 관리에 사용된다.

기상 연구 인원들은 레이다를 사용하여 강수량과 풍속을 관측하며 레이다는 단 시간내 날씨 예측과 관측의 우선적인 도구로 사용된다. 지질학자들은 전문화한 지표 투과 레이다(GPR: ground-penetrating radars)를 사용하여 지각 구성을 지도에 그리고 경찰들은 속도 측정기(radar guns)를 이용하여 도로에서 주행하는 차량 속도를 모니터링 한다. 소형 레이다 시스템은 사람들의 이동을 탐지할 수 있으며 자동 도어 열림, 조명 활성화 및 도난 감지 등에도 보편적으로 사용된다.

레이더 기술은 최근에 활력징후의 모니터링과 인간활동의 모니터링에 적용된다. 혈액이 대혈관으로 분출되고 공기가 들숨 날숨에 의해 발생하는 인체의 움직임을 관측하여 심장 박동율과 호흡율을 추정한다. 머신 러닝 알고리즘을 사용하여 레이터 반환 패턴을 분류하여 인간 활동을 감지한다.

참고자료

• "Radar", Wikipedia

같이 보기

• 라이다

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